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1、第二章光现象第二章 光现象动 手 动 脑 学 物 理细说小孔成像在较暗的屋子里，把一支点燃的蜡烛放在一块半透明的塑料薄膜前面，在它们之间放一块钻有小孔的纸板。这时塑料薄膜上就出现了烛焰的倒立的像，这种现象叫做小孔成像，如图1所示。下面我们从四个方面论述一下这种现象。一、从光线方面说小孔成像是光的直线传播的直接证明，因为烛焰上某点发出的光射向四面八方，其中肯定有射向小孔的光线，这条光线会穿过小孔，射向光屏，从而在光屏上落下一个光斑，这个光斑的明暗、颜色都和烛焰上那个发光点相像。于是照在光屏上的许许多多光斑就组成了烛焰的像，如图1所示，这是个倒立的实像。但是是放大的还是缩小的呢？这就要看光屏离小孔

2、的距离了，光屏与物体离小孔距离相等时，成等大的像，光屏离小孔越远，成的像就越大，离小孔越近，成的像就越小。二、从孔的大小方面说如果孔开得比较大，如图2所示，烛焰上某点发出的光就不止一束穿过小孔，这样在光屏上会留下若干个小光斑组成的较大光斑，许多大光斑组成的物体的像就变得模糊不清，所以小孔成像的孔不能开得太大。三、从孔的形状方面说小孔成像中小孔的形状是不是非要圆形，其它的形状行吗？如方形、三角形，由于小孔成像主要是利用一个让光线通过的小孔，能让光线通过且“小”就行，所以其它形状的小孔也是可以的。四、从能量方面说小孔所成像的能量全部来源来小孔中通过的光的能量，对于烛焰上的某一点来说，它的能量沿球状

3、表面向外扩散，小孔中通过的只是烛焰上能量中很小的一部分，所以要想这个像能被人看到，应该让光屏这一侧处于暗处。所以自制的“针孔照相机”的光屏总是处于一个黑暗的盒子里以便观察，如图3所示。有人说，不会让进入小孔的光增加吗？如果你让进入小孔的光增加，只能把小孔开得大一些，这样，像又不清晰了。有时为了让像明亮些，我们通常采用让像小一些的方法，使微弱的光能不太分散，以提高亮度。五、从生活方面说小孔成像不止出现在特定的小制作上，生活中我们也有小孔成像的例子。如浓密树阴下的圆形光斑，就是太阳经树叶缝隙而在地面上形成的像。六、从像与影的不同方面说影是由于光射到不透明的物体上而在其后留下的阴影区域，它也是光沿直

4、线传播的有力证据，虽然影与物也有相似之处，但它与像却有着本质的区别，影子只有大小轮廓的相似，而像不但轮廓一样，其色彩与物体都是一样的。巧用光的直线传播测地球的周长习题：(18届上海大同中学杯初中物理竞赛)早在公元前305年，著名天文家埃拉托色尼就已经测量出了地球的周长，与现代科学公认的地球周长的真实值相差不到0.1%。他在研究中发现，每年夏至这天，塞恩城(今埃及阿斯旺)正午的太阳光正好直射到城内一口深井的底部，而远在S以外的亚历山大城，夏至这天正午的太阳光却会使物体在地面上留下一条影子，他测得太阳光方向与竖直方向之间的夹角为，由此得出地球的周长为( )A B C D 分析：我们将地球看成是球形

5、，太阳光平行射到地球上，在塞恩城是竖直向下的，在亚历山大城，太阳光与竖直方向夹角为，如图所示，则两地之间对应的圆心角也为，也就是说，角对应的长度是S，那么360角对应的长度应该是多少呢？即有：S=360：L，则地球的周长。故选B。如何估测打雷处离我们的距离夏天雷雨天气，常先看到闪电，后听到雷声，这是为什么呢？假如云层中某处出现了打雷、打闪，其实它们是同时发生的，这时既有闪电以光速向我们传播，同时又有雷声以声速向我们传播，由于这两个速度的大小不同，光速比声速大，所以我们总是先看到闪电，后听到雷声。如果一位同学看到远方闪电开始记时，过了t时间后听到雷击声，我们就可以据此数据估算出打雷处离我们的距离

6、。若已知光的空气中的传播速度为c，声音在空气中的传播速度为v，若用c、v、t三个量表示打雷处跟该同学的距离，会是一个什么样的表达式呢？由于发生雷电时，闪光和雷声是同时发生的。看到闪电记时，雷声实际上已经传播了一段距离，要精确地求打雷处与该同学的距离，这个因素我们应该考虑到。如图1表示闪电与雷声的传播情况，A表示发生雷电的地方，B表示听到雷声的地方，A、B间的距离设为S。则由题意可得：声音传播所需时间减去光传播所需要的时间就是人看到闪电后到听到雷声的时间间隔，即t。那么我们就有，解之得。该式只用c、v、t三个量表示了打雷处跟该同学之间的距离，看来这是一个精确计算打雷处距该同学距离的公式。在该式中

7、，由于cv，即cvc，所以Svt。就是说，当我们看到闪电时，近似认为雷声才向我们传播，其实这时雷声确实已经向我们传播一小段距离了，只不过这个距离非常小(图1中的OA段)，我们完全可以忽略不计。这样我们就得到了一个近似计算打雷处与我们之间距离的公式。只要数出看到闪电距听到打雷时的时间，就可以估算计算打雷处距我们的距离。一次下小型雷阵雨时，小明成功地预示了一场雨势发展的势头，原来这天阴云密布，电闪雷鸣，爸爸认为可能有大雨，可小明从看到闪电到听到雷声共用15s，估算出了打雷处距我们约15s340m/s =3570m，从而判断出雨不会下很大的结论，因为云层很高，不是下大雨的势头，果不其然，雨下不多久，

8、就停了，爸爸直夸小明的预见能力强。殊不知，是物理知识帮了小明的大忙。用三种方法求做入射光线的反射光线己知一条入射光线、平面镜的位置，求做反射光线。如图1所示。一、用量角器求做先过入射点O做垂直于平面镜的法线MN；用量角器量出入射光线与法线的夹角，记为，这就是入射角的大小；然后再以O为顶点，以法线为边，做一条直线，使它与法线的夹角等于，则这条直线就是反射光线的位置，光线位置确定后，再标出方向即为反射光线，如图示2所示。这种做法快速、准确，直接应用了光的反射定律的具体内容，是大家首选的一种方法。二、用直尺求做先过入射点O做垂直于平面镜的法线MN；用直尺做一平行于平面镜的直线，交入射光线AO于D，交

9、法线MN于F；在直线DF的延长线上做一点E，使EF=DF；连接OE即为反射光线。这种方法的根据全等三角形的性质定理而得出的，在EFO与DFO中，由于EF=DF，OF=OF，EFO =DFO =90，故EFODFO，则EOF =DOF，即反射角等于入射角。该法也可理解为在入射光线上推任找一点，做出该点通过法线的对称点，连接该点与入射点形成的直线就是反射光线的位置。三、利用平面镜成像规律求做先在入射光线AO上任取一点P，过P点做平面镜的垂线，垂足为Q；然后延长PQ至P，使PQ=PQ；最后连接PO并延长，延长线的位置即为反射光线的位置，再标出方向，就是反射光线。如图4所示。这种方法利用的是平面镜成像

10、时，反射光线反向延长线一定都过像点的原理而设计的。该法也可理解为在入射光线上任找一点，做出该点通过平南镜的对称点，连接该点与入射点形成直线的反向延长线即为反射光线的位置。下面我们用这种方法练习两个题目：1、已知反射光线的位置、平面镜的位置，如图5所示。求做入射光线的位置。2、已知入射光线、反射光线的位置，如图8所示，求做平面镜的位置，并标出平面镜与入射光线的夹角。万变不离其宗北师大版课本第一册69页有一道这样的习题：在暗室里用手电筒照射一块毛玻璃，观察反射光的方向。然后用蘸水的湿毛巾擦玻璃，再用手电筒照射毛玻璃，观察反射光的方向。比较前后两次反射光有何变化。讨论这是为什么？分析：当手电筒照射毛

11、玻璃时，由于毛玻璃表面粗糙不平，光在其上发生的是漫反射，反射光是射向各个方向的，所以我们在各个地方都能看清毛玻璃，如图1所示；当用湿毛巾擦试毛玻璃后，毛玻璃中凸、凹不平的地方都被小水滴所填满，表面变成了光滑的，所以当手电筒照射其上时，发生的是镜面反射，光线只向某一个方向反射，如果人眼正好处于反射的区域，就会得到非常强的光线，从而显得刺眼；如果人眼没处在这个反射的区域，则眼中就得不到玻璃上反射的光线，从而看到的玻璃就是黑色的。该题的一些变式在不少习题中均有体现，现举例如下：变化一、打过油的皮鞋用软布反复擦，为什么越擦越亮？分析：没打过油的皮鞋表面是粗糙不平的，对光的反射是漫反射，显得不那么亮；而

12、打过油后，鞋油将皮鞋凸、凹不平的地方都填平了，整个表面非常平整，光在其上发生的是镜面反射，所以皮鞋越擦越亮。变化二、晚上，在桌上铺一张白纸，把一块小平面镜平放在纸上，让手电筒的光正对着平面镜照射，如图2所示，从侧面看去，白纸被照亮，而平面镜却比较暗。做做看，并解释为什么？分析：由于平面镜很光滑，垂直入射到镜面的光被垂直反射回去，射到其他方向的光很少，所以从侧面看去，基本上没有光进入人的眼睛，所以镜面看起来较暗；而白纸的表面比较粗糙，入射到白纸上的光发生的是漫反射而不是镜面反射，反射的光线射向各个方向，所以从侧面看到白纸比较亮。变化三、在教室前排两侧的同学经常会看到黑板反光，黑板反光是怎么回事？

13、反光时，黑板上发生的是镜面反射还是漫反射？分析：黑板反光时，我们看到该处一片光亮，而其他位置则看不到这么亮，这说明该处只向这一方向发生了反射，由于光线很强，因而看不清其上的字迹，由此可见，该处发生的是镜面反射而不是漫反射。变化四、铁板做成的公益广告牌上用油漆画上图案和文字，人们从广告牌前经过时，有时却看不清上面的内容，只感到有刺眼的光照来，这是何故？分析：由于公益广告用油漆画上了图案和文字，表面比较光滑，其上会发生镜面反射，光线在某一方向加强，如果人们从广告前正好经过这一方向，则只会感到有刺眼的光照来，而看不清其上的内容；如果没有经过这一方向，则不会有这种感觉。所以从广告前经过时，有时是看不清

14、上面内容的。变化五、雨后的夜晚，路上有些积水，甲、乙同学在较暗的月光下，在路上相向而行，如图3所示。甲同学看到的现象是水面比路面亮，那么乙同学看到的现象是怎样的？请你对乙同学看到的现象用学过的物理知识进行解释。分析：月光照在路面和水面时都会发生反射，但路面和水面对光的反射情况是不同的。路面粗糙，月光照上去时发生的是漫反射；水面光滑，月光照上去时发生的是镜面反射。对于甲同学来说，月光照射到路面上发生漫反射的光与照在水面上发生镜面反射的光都能看到，但由于镜面反射的光强，漫反射的光弱，所以他看到的水面比路面亮。对于乙同学，由于月光照在镜面上发生镜面反射的光射向了左方，不能进入乙同学的眼睛，他只能得到

15、路面漫反射的光，故相比较而言水面暗，路面亮。变化六、如图4所示，有一正方体形状的不透明的房间，在其中的一面墙上开有一个圆形小孔。在这面墙的对面有一个正方形的平面镜。在房间里有一个人靠在与平面镜垂直的一侧墙面上，当有一束垂直于圆孔的平行光通过圆孔射到平面镜上时，他能看到的是( )A镜面上有一个圆形的亮斑 B整个正方形镜子的形状C整个房间的各处都是亮的 D感到整个房间是一片黑暗分析：当光竖直射到平面镜上时，平面镜会把光原路反射回去，而人站在平面镜的旁边，所以不会有光线射到人的眼里，也不会有光线射到墙壁上，人感到整个房间是一片黑暗的。故选D。平面镜成像的点、线、面、体对于某一点来说，平面镜所成的像与

16、物相比有以下四个特点：像与物是等大的，像与物到平面镜的距离是相等的，像与物的连线与平面镜是垂直的，平面镜所成的是虚像。如图1所示就是点S在平面镜中所成像S与平面镜的位置关系图。如果不是一个点而是一条线，它在平面镜上的成像情况如何呢？如图2是直线AB在平面镜上的成像情况。由图看出，我们很难说清像AB与物体AB之间到底存在什么样的位置关系。但有一点是明确的，物体AB上的各点在平面镜上所成的像是关于平面镜对称的。同样，如果涉及到面的成像，也存在这样的问题。涉及到体的成像，除了面的关系外，还有一个纵深度的问题，但无论是面或体的在平面镜上的成像，都遵循着物上的每个点所成的像是关于平面镜对称的。例1、小明

17、从平面镜中看到挂钟的像如图3所示，则这时的时间是_。分析：该题中的挂钟面与实际钟表表面上的每个点应该是关于平面镜对称的，我们不妨在旁边画一个平面镜，找到指针的各点在平面镜中所成的像，可以看出，时间为7点50分，如图4所示。还有一种方法是沿着竖直的“6”和“12”刻度线将各指针左右对调，即为现在的时间；第三种方法是将纸反过来看，指针对应的时间即为现在的时间。例2、如图5所示，一只大熊猫正抱着一根竹子在镜前欣赏自己的像。此时，它从镜中看到的自身像应该是图6中的( )分析：该题中的熊猫是个立体物体，他不但有面的成像关系，而且还有立体的纵深度，但各点与像也都是关于平面镜对称的，所以与图5相对的只有图D

18、。例3、如图7所示是一张在湖边拍摄的照片。因为湖水平静，岸上景物为什么在湖水中形成的是倒影？分析：物体经平面镜成的像，像与物上的各点都是关于平面镜对称的，由于平面镜是平放的，物体上端所成的像就成在了下端，物体下端所成的像就成在了上端，所以物体所成的像看起来就是倒立的了。答光学开放题的技巧例1 (2003年福州)下文是某刊物的文章，请仔细阅读后，按要求回答问题。光污染，来自靓丽的玻璃幕墙最近张小姐十分苦恼，因为她的房子正对着一座新大厦的玻璃幕墙。有时站在她空的窗前，看到对面玻璃幕墙就像平面镜一样，将同楼居民家的一举一动看得清清楚楚。玻璃幕墙的反光也使她苦不堪言，只要是晴天，她的房间就被强烈的反射

19、光照得通亮，无法正常休息。尤其是那种凹形建筑物，其玻璃幕大部在客观上形成一种巨形聚光镜，一个几十甚至几百平方米的凹透镜，其聚光功能是相当可观的，能使局部温度升高，造成火灾隐患。(1)从文中找出一个光学方面的物理知识填入横线_。(2)文中有一处出现了科学性错误，请在错误句子下面画上横线。(3)从上文找出一个玻璃幕墙给居民生活带来不便或危害的实例：_。(4)如何预防光污染？请你提出一条合理化建议：_。 分析 该题是在阅读材料提示下的开放，所以应围绕阅读材料进行。(1)找出与光学方面相关的物理知识，就对开放进行了限定，文章中出现了光的反射、平面镜成像、光的直线传播、凹面镜对光的会聚作用等知识，任选一

20、个即可；(2)错误的一句是“凹透镜”，应该改为凹面镜，因为玻璃幕墙是反射光的，属于面镜；(3)不便和危害也可以在文章中找出，如造成火灾隐患(或危害居民身体健康、暴露生活隐私等)；(4)合理化建议更是体现了开放性，只要能针对危害提出减弱光污染的方案都可以。答案 (1)光的反射(或平面镜成像等)；(2)“一个几十甚至几百平方米的凹透镜”(应为凹面镜)；(3)造成火灾隐患(或危害居民身体健康、暴露生活隐私等)；(4)建议对城市玻璃幕墙的范围、设计制作和安装制定统一技术标准。(或限制玻璃幕墙等)次数蜡烛到平面镜的距离蜡烛的像到平面镜的距离110.0cm10.0cm218.0cm18.2cm320.0c

21、m20.0cm例2(2005年呼和浩特)某小组用蜡烛、玻璃板(作为平面镜)、刻度尺等器材做“探究平面镜成像特点”的实验时，测的数据如下: (1)分析比较表格内的数据，你会发现第2次测量数据略有差异，这是实验过程中允许的误差。同学们经过分析认为这次误差可能是由于测量人造成的；或数读的不准，或放在玻璃板后的蜡烛与像没有重合等。请问除此之外还有什么原因可能会导致这个误差产生?答：_。(2)做实验时，用一块玻璃板代替了平面镜，请你说一说这样做的好处。答：_。 分析这是属于结果性开放性试题。(1)从第2 次测量的结果可知，像到平面镜的距离大于蜡烛到平面镜的距离，这既是由于测量误差所造成的，也可能是因为玻

22、璃板有一定的厚度，蜡烛在玻璃的后表面所成的像距前表面有一定差距而造成的。本题从“误差的产生”这一角度出发，激发了思维的发散，使我们找出了较多的“能够导致误差产生的各种原因”。(2) 玻璃板代替平面镜的好处是能看到玻璃后像的位置。答案玻璃板有厚度；玻璃板不但能反射光成像，还能透光看到玻璃板后面的蜡烛。可见，开放类试题都依赖于一定的情景，命题者也往往从我们的学习过程中挖掘命题的素材，这就要求我们平时在学习时要多思、善问，具有质疑的习惯，在解题时要多从题意中挖掘有用的信息，多角度审视问题的根源，让思维具有灵活性。下面是一道通过图示提供信息的开放题，请你尝试一下。(2005年临沂)请你仔细观察，说出如

23、图1所示中所隐含的物理知识。(至少说出三点)_、_、_。参考答案：答：平面镜成像；镜面反射；漫反射；像与物等大、正立、等距离、虚像等。提示：二者对比，明显地看出是镜面反射与漫反射的对比情景图。魔术师是怎样利用光学技术的在文艺舞台上，从布景到演出，多是利用各种光学技术来渲染舞台气氛，加强艺术效果的。魔术师们就经常利用这种光学技术进行魔术表演，出现了令人叹为观止的艺术效果。1982年，法国巴黎举行世界魔术锦标赛，在演出“人体腾空”的节目时，魔术师故意在幽深的舞台两侧设置燃烧着的火盆，让它升起熊熊的烈火，显得耀人眼目；并以柔和的灯光照耀着女演员那美丽的身姿。两种光的运用紧紧地吸引住了观众的视线，而把

24、那撑持女演员的黑色支架却巧妙地隐蔽在黑沉沉的帷幕之中，让人无法看见。这样，观众就觉得演员好像是缓缓地从地面腾空而起，悬浮在上方的，从而达到了节目的高潮。这里，一方面魔术师采用了转移观众视线的方法，用熊熊的烈火吸引了观众的注意力，但更重要的另一方面是利用了人眼能分辨物体是靠反差(衬度)和物体彩色不同等条件实现的。如在暗背景中，黑色物体不易被发觉；而在明亮的背景中，白色物体也不易被发现。美国魔术师卫科波菲尔在电视里表演的“自由女神的消失”、机场上“飞机的消逝”等节目，就是根据这一光学原理获得成功的。同样，在表演“推斗式人体三分柜”的节目中，让观众看到的情景，是魔术师对柜内的女演员拦腰插入两块“钢刀

25、板”，将她切成三段，而演员的头、脚仍在活动。等到把钢刀抽出后，女演员却安然无恙，真是惊险神秘，令人叫绝。其实女演员纤细的腰身只占据一部分空间，并且是暗区。人们都有这样的经验，同样大小的黑色物体和白色物体，看起来白色物体显得大些，而黑色物体显得小些，这是人眼的视觉错觉造成的。正是如此，在特别明亮部位下面的小暗区里，看起来显得特别狭窄，特别暗，好像钢刀真得将人切成三段似的。这又利用了人眼视觉的错觉而表演成功的。探究光折射的本质光从一种物质进入另一种物质时，其传播方向通过会发生改变，这是由实验现象得出的结论，但究竟为什么会发生这样的偏折呢？我们看一个例子。一位骑马的通讯员，要从A点把一份报告送到C点

26、的司令官那里，如图1甲所示。在他和司令官帐幕之间隔着一片沙地和一片大草地，沙地和草地的分界线是一条直线，马在沙地里走是很困难的，这儿的速度只等于在草地上速度的一半。问：为了尽快把报告送到，这位骑马的通讯员应该选择怎么样的路线？初看，最快的路径自然应当是从A到C的直线。但沙地上难走他是明白的，这使他正确地考虑到难走的沙路应该越短越好，就是越过这块沙地的路线应该越斜得少越好；当然，这样做会加长了越过草地上的路；但马在草地上可以走得比较快，速度等于沙地的2倍，因此路长一些也还是有利的，可以使得全程在较短时间里走完。看来，本题按曲折路线走将比靠直线走会更节省时间，到底应该选分界线EF的那个位置越沙地，

27、就要看马在这两种土地上跑得有多快了。如果沙地非常难走，速度小，则H点应该向左再移一些；如果沙地容易一些，即速度大，H点就可以向右移动一些；当马在两种土地上的速度一样时，沿直线AC走就可以了。可见是速度的不同才让通讯员选择了弯折的路线。光线的传播也是这样，当光穿过两种物质时，由于光在两种物质中的传播速度是不同的，为了达到所用时间最小的目的，它的前进路线也不是直线，而是要发生偏折，在速度小(难走)的物质中，其经过的路线会尽量短，即与法线对应的夹角较小；在速度大(容易走)的物质中，其经过的路线会尽量长，即与法线对应的夹角较大。下面我们看二个类似的中考题：例1、(2005年济宁市课改区)在研究光的折射

28、时，小明知道了光从空气斜射入水中时，折射角小于入射角；光从水斜射入空气时，折射角大于入射角。小明想：光在其他透明介质的分界面发生折射时有什么规律呢？即什么条件下折射角小于入射角，什么条件下折射角大于入射角？为了研究这个问题，他在老师的指导下做了如下实验：让一激光手电筒射出的光束从水斜射入玻璃，再从玻璃依次斜射入冰、空气中，其光路如图2所示。然后老师又告诉他光在一些透明介质中的传播速度，如下表。物质其中光速（ms1）水2.25108玻璃2.0108冰2.30108空气3.0108酒精2.2108试回答：(1)针对小明提出的问题，仔细观察图中的光路，对照表格中的数据进行分析，你能得出什么结论？(2

29、)根据你得出的结论，请在图3中画出光由玻璃斜射入酒精中时，折射光线的大致位置。分析 本题既是一道典型的信息给予题，又揭示了光的偏折与光速之间的关系。(1)由光路图和物质中光速的大小比较可以看出，光线由水射入玻璃中时，折射角小于入射角，而这时对应的光速v水v玻璃；光由玻璃射入冰中时，折射角大于入射角，此时v玻璃v冰；光由冰射入空气时，折射角大于入射角，此时v冰v空气。故由此可以看出，光速大的物质中对应的角度大(无论是入射角还是折射角)，光速小的物质中对应的角度小；或者说光从传播速度大的介质斜射入传播速度小的介质中时，折射角小于入射角；光从传播速度小的介质斜射入传播速度大的介质中时，折射角大于入射

30、角。(2)要判断出光由玻璃斜射入酒精时折射光线的大致位置，就要比较玻璃与酒精中光的传播速度，由于光在玻璃中的传播速度小于在酒精中的传播速度，故光在玻璃中对应的角度小，在酒精中对应的角度比较大，即折射角大于入射角。其传播路线如图4所示。该题对光的折射本质进行了有益的探究，表面上看难度不小，但它突出的还是如何将光路图中的现象与表格中的数据相对应的问题，属于对信息的处理技巧问题。下面再看一个例子。例2、(2005年镇江)如图5甲所示，直线AB是光滑木板与棉布的分界线(木板与棉布处在同一水平面上)，然后使一个小线轴(如缝纫机上的线轴)沿与直线AB成一角度的方向PO匀速滚动，可以看到，线轴在棉布上滚动的方向发生了改变。如图5乙所示，一束光从空气射入玻璃中时传播方向也发生了改变。(1)由图5甲可知，当线轴的左轮刚接触到棉布时，其速度大小将_(选填“变小”或“不变”、“变大”) ，此时乙轮速度的大小将_(选填“变小”或“不变”、“变大”)。(2)从图甲、乙两种类似现象可知，光由空气斜射入玻璃时发生折射现象的原因可能是_。(3)在你学习物理知识的过程中，是否运用过本题的研究方法？请列举一例说明：_。分析：(1)由于线轴在不同表面的速度是不同的，当线轴的左轮刚接触到棉布时，其速度